Si bien algunos en el mundo de la fabricación tardan en adoptar la impresión 3D en metal, Roger Smith no es uno de ellos. Como director ejecutivo de Sierra Turbines , planea renovar por completo la industria de las microturbinas imprimiéndolas.
Las microturbinas son componentes increíblemente complejos hechos de docenas de piezas que se fabrican por una variedad de medios, por lo que imprimir todas esas piezas es toda una empresa.
Si bien se encuentran en una serie de aplicaciones, las microturbinas se encuentran más comúnmente en los motores eléctricos de los vehículos aéreos no tripulados (UAV). Las unidades de energía auxiliar (APU) en los generadores de respaldo también dependen de ellos. Son más que un poco complejos, con celosías, superficies aerodinámicas delgadas y muchas partes que interactúan. La combinación de esas delicadas características con las altas temperaturas que tienen que soportar es lo que lleva a la vida útil terriblemente corta de las microturbinas; el tiempo entre revisiones para estos motores pequeños es de aproximadamente 50 horas. Uno de los objetivos de Smith es aumentar drásticamente esa vida útil hasta 1.000 horas.
Si nosotros, como país, vamos a comenzar a fabricar productos en los EE. UU. Nuevamente, debemos desarrollar mejores formas de diseñar y fabricar productos. Esto incluye una menor dependencia de las herramientas, la mayoría de las cuales se han trasladado a China, pero también una adopción de la Industria 4.0 y otras tecnologías de cambio. La impresión 3D de metal es uno de estos factores de cambio. Es mucho menos derrochador que la fabricación tradicional y presenta infinitas oportunidades para la consolidación de piezas, aligeramiento, mayor eficiencia del producto… y la lista continúa. Roger Smith, director ejecutivo de Sierra Turbines
Sección transversal de una cámara de combustión de motor Sierra Turbines que destaca la complejidad del interior. Note la delgada
láminas de aire y celosía suave que ayuda a la cámara de combustión a atomizar eficazmente el combustible antes de la combustión. Crédito de la imagen: VELO3D
El equipo de Smith ya había rediseñado el núcleo del motor, consolidándolo de 61 piezas diferentes a solo una. Se puso en contacto con varias empresas que se especializan en impresión 3D de metal en un esfuerzo por imprimir el nuevo diseño. Cada uno falló de una manera diferente. O no podían imprimir las características lo suficientemente pequeñas que se requieren para la funcionalidad, o los soportes eran necesarios pero no se podían quitar de las cavidades internas, o las superficies eran demasiado rugosas y no se podía acceder a ellas para mecanizarlas de manera uniforme. Es decir, hasta que se pusieron en contacto con VELO3D . “Desde el principio me resultó obvio que la plataforma VELO3D ofrece un enfoque diferente para la fusión por lecho de polvo con láser (LPBF). Para empezar, su hoja de repintado sin contacto es especialmente adecuada para imprimir secciones de paredes delgadas. En algunas áreas, nuestras paredes tienen menos de un milímetro de espesor y tienden a romperse en otras impresoras 3D ”, dijo Smith.
El equipo de VELO3D trabajó con Sierra Turbines para optimizar el software de diseño generativo de nTopology, variando el tamaño y el grosor de la celosía para maximizar el rendimiento del motor. Luego usaron la impresora Sapphire para imprimirlo en Hastelloy X, un metal de alta resistencia y baja fluencia que se usa mucho en la aviación. Dicha superaleación es necesaria para cumplir con las demandas de eficiencia de combustible de Smith porque «cuanto más caliente se calienta en cualquier turbina de gas, mejor es el rendimiento».
La tecnología de VELO3D no requiere material de soporte como la mayoría de las impresoras 3D de metal, y eso fue fundamental para imprimir esta geometría específica que tiene muchas cavidades internas. El prototipo es realmente algo digno de admirar, ya que redujo el peso a la mitad y aumentó la densidad de potencia de 200 vatios hora por kg a 2000, un aumento de diez veces. Y se tardó solo 50 horas en imprimir, en comparación con los incontables meses del componente tradicional. Es imposible cuantificar todos los ahorros de costos logrados a través de esto, pero son significativos. Smith está feliz de evitar tener que obtener todas esas piezas de diferentes proveedores y ensamblarlas con sellos que inevitablemente fallarán. Planea imprimir el 95% de sus microturbinas y, finalmente, tiene la intención de escalar la tecnología a las turbinas de gas de tamaño completo que se encuentran en los aviones. “VELO3D cree que puede usar aditivos para la producción a gran escala, y yo también. Para el desarrollo futuro de turbinas de gas, nuestro objetivo es aprovechar el poder de la fabricación aditiva para integrar características como un recuperador que aumenta la eficiencia, sensores impresos, y geometrías de aislamiento y refrigeración más novedosas «.
